Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań środowiska środowiska Wykład II Wykład II

Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań

środowiska środowiska

Wykład II Wykład II

Krzysztof M. Markowicz

Pomiary promieniowania

Terminy WMO (World Meteorological Organization)

Radiometr – przyrząd do pomiaru promieniowania.

Promieniowanie krótkofalowe (słoneczne) <4 m obejmuje promieniowanie

ultrafioletowe <0.4 m widzialne 0.4<<0.7 m

bliska i środkowa podczerwień 0.7<<4 m

Promieniowanie długofalowe (ziemskie) 5<<50 m

Podział promieniowania słonecznego

Promieniowanie bezpośrednie – promieniowanie

pochodzące z obszaru tarczy słonecznej mierzone na powierzchni prostopadłej do kierunku jego propagacji.

Promieniowanie bezpośrednie dochodzące do

powierzchni ziemi stanowi część promieniowania,

która przeszła przez atmosferę bez oddziaływania lub została rozproszona dokładnie w kierunku do przodu.

Promieniowanie rozproszone –promieniowanie

pochodzące z obszaru całego nieba i związane jest z procesami rozpraszania w atmosferze.

Promieniowanie całkowite –suma promieniowania bezpośredniego oraz rozproszonego.

Podstawowe wielkości radiacyjne Radiancja- ilość energii mierzonej

w określonym kierunku w jednostce czasu dt na jednostkę powierzchni poziomej dA, kąta bryłowego d oraz w wąskim przedziale spektralnym d.

Strumień promieniowania-

ilość energii na jednostkę czasu przechodzącej przez jednostkową powierzchni dA dla wąskiego

przedziału spektralnego d

promieniowania

elektromagnetycznego.





  ^

 cos d dAdtd I dE

m sr m

W

2  _  ^ 

dAdtd F dE

•I(,)

•detektor •dyfuzor



•d

Stała słoneczna – natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery padającego na jednostkowa

powierzchnie ustawiona prostopadle do padania promieniowania. Wynosi ona 1368 Wm²

i zmienia się 3.3% w ciągu roku. Uśredniona po całym globie wartość stałej słonecznej wynosi 342 Wm².

Maksimum energii promieniowania słonecznego przypada

zgodnie z prawem przesunięć Wien’a na długość fali około 0.55

m (światło zielone)

38% promieniowania słonecznego przypada na obszar widzialny, 9% na promieniowanie UV oraz 53% na bliska podczerwień.

Promieniowanie ziemskie (podczerwone) określone jest przez temperaturę powierzchni ziemi i w przypadku ciała doskonale czarnego wynosi zgodnie z prawem Stefana Boltzmanna

F=T⁴,

gdzie  jest stała Stefana Boltzmanna i wynosi 5.67x10^-8. Odstępstwo powierzchni ziemi od modelu ciała doskonale czarnego definiuje się przez zdolność emisyjna  ). Jeśli

zdolność emisyjna nie zależy od długości fali (ciało doskonale szare) wówczas wzór S. Boltzmanna przyjmuje postać

F =  T⁴.

Średnia wartość zmienności emisyjnej powierzchni Ziemi zmienia się w przedziale 0.93-0.99 dla promieniowania

czujnikiem jest tu termopara której jeden koniec jest poczerniony a drugi połączony jest z obudową

czułość przyrządu wynosi około 10 V/Wm^-2 stała czasowa około 10 s.

Pomiar promieniowania słonecznego całkowitego przy użyciu Pyranometeru.

Pomiary względne

Pomiar promieniowania na płaszczyźnie prostopadłej do Słońca.

Pyrheliometr umieszcza się na specjalnym urządzeniu (sun tracker) które podąża za słońcem umożliwiając w ten sposób ustawienie

przyrządu w kierunku tarczy słońca.

Pomiar absolutny dokonuje się przy użyciu pyrheliometru Angstrema.

Przyrząd ten zbudowany jest z dwóch wyczernionymi czujnikami bolometrycznymi, których temperatury porównywane są za pomocą termopary. Wyrównanie temperatur wstążki ogrzewanej słońcem i prądem elektrycznym pozwala zapisać: S=KI²

Pomiar promieniowania

bezpośredniego – pyrheliometr.

Pomiary bezwzględne

Pyrheliometr Abota (pomiar temperatury przepływającej przez przyrząd wody)

Pyrheliometr mechaniczny – pyranograf. Służy do rejestracji natężenie promieniowania wykorzystując

bimetal z jednym końcem poczernionym a drugim białym odbijającym promieniowanie

Pomiar promieniowania rozproszonego Pomiar wykonywany przy użyciu

pyranometru zainstalowanego w środku pierścienia który rzuca cień na detektor przyrządu

lub umieszcza się go na sun trackerze.

Pomiar promieniowania długofalowego - pyrgeometry

Odcięcie fal krótkich możliwe jest po zasłonięciu czujników czarną folią polietylenową lub specjalną kopułą

krzemową z napylonym od wewnątrz filtrem interferencyjnym.

Fundamentalne równanie pyrgeometru

R = Af Vac +  Tsensor⁴ + Bf  ( Tsensor⁴ – Tdome⁴ )

(1) (2) (3) (4) (5)

(1) Padające na pyrgeometr promieniowanie długofalowe (2) Promieniowanie Netto

(3) Emitowane przez pyrgeometr promieniowanie długofalowe

(4) i (5) czynnik związany z różnicą temperatury czarnej termopary oraz obudowy (kopuła)

Vac – napięcie na termoparze wynikająca z różnicy temperatur pomiędzy ciałem czarnym (termopara) a jej chłodnym końcem na kopule pyrgeometru.

Tsensor – temperatura radiacyjna termopary detektora Tdome – temperatura radiacyjna kopuły

 = 5.67x10^-8 Wm^-2K^-4 (Stefan-Boltzmann constant),

Af – czułość termopary (sensitivity Wm^-2 per microvolt)

Bf – stosunek zdolności emisyjnej do transmisji kopuły pyrgeometru

Albedomierz – pomiar albeda powierzchni ziemi

Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania słonecznego oraz ziemskiego

Pomiar spektralny promieniowania bezpośredniego – Sun Fotometry

Detektor: spektrometry,

fotodiody krzemowe z filtrami interferencyjnymi

Zakres spektralny: 300-1100 nm

Stosuje się do pomiaru ozonu, pary wodnej oraz aerozolu atmosferycznego

Spektrofotometr Dobsona

Pomiar promieniowania UV oraz całkowitej zawartość ozonu w pionowej atmosferze

Pomiar promieniowania na 2 długościach fal (₁,

₂) w obszarze UV gdzie

₁ długość fali dla której promieniowanie jest

silnie pochłaniane przez ozon

₂ długość fali poza pasmem absorpcyjnym

DOBSON

Jednostką używaną do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze jest Dobson (1 Dobson [DU]= 0.01mm O3, warunki

normalne: 1013hPa, 0^oC)

Odpowiada on grubość ozonu jaka

otrzymamy po sprężeniu ozonu do ciśnienia panującego przy powierzchni ziemi i wynosi

Robertson-Berger

pomiar UVB (0.28-0.32 m)

luminofor zielony filtr

fotopowielacz

Filtr przepuszczający UV

Promieniowanie erytemalne-

promieniowanie z przedziału (0.28- 0.32 m)

Powoduje opalanie skory oraz powstawanie witaminy B

Spektrofotometr Brewer’a

Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego przez tracking słońca Specification

Accuracy

±1 % ( For Direct-sun total ozone) Resolution

0.6 nm at 302.2, 302.3, 310.1, 313.5, 316.8, 320.1 nm Wavelength Stability

± 0.01 nm (Over operating temperature) Wavelength Precision

0.006 ± 0.002 nm step-1 Wavelength Range 286.5 to 363 nm Detector

Low Noise Photo Mulitplier Tube (PMT) Azimuth Tracking

resolution, 0.02º step-1 Zenith Tracking

resolution, 0.13º step-1

Nasłonecznienie- czas operacji Słońca- Heliograf

Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach

Kalibracje

radiometrów oraz pomiary stałej

Bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery (100 km)

B=S_o-AS_o-F_OLR

Gdzie

S_o – Stała słoneczna A – albedo planetarne

F_OLR - długofalowe promieniowanie ziemskie uciekające w przestrzeń kosmiczna

<B>=0 ze względu na równowagę radiacyjna

Bilans promieniowania na powierzchni Ziemi

B=S+D+F_a-(R_z+F_z)

Gdzie

S - krótkofalowe promieniowanie bezpośrednie docierające do powierzchni ziemi

D – krótkofalowe promieniowanie rozproszone

R_z - krótkofalowe promieniowanie odbite od powierzchni ziemi.

R_z =A_z(S+D)

A_z - albedo powierzchni ziemi

F_z – długofalowe promieniowanie ziemskie

F_a - długofalowe promieniowanie zwrotne atmosfery

Bilans promieniowania i energii w atmosferze

Pomiary budżetu energetycznego na szczycie atmosfery-

The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)

Pomiary przychodzącego oraz odbijanego przez Ziemie

promieniowania słonecznego oraz wychodzącego z atmosfery promieniowania ziemskiego (OLR)

ERBE instrument na satelitach NOAA 9 (1984) oraz NOAA 10 (1986)

CERES udoskonalony następca ERBE na satelitach TRMM (1997) oraz TERRA (1999) oraz AQUA (2002)

OLR

Albedo

Teledetekcja satelitarna

W satelitarnych pomiarach zdalnych wykorzystuje się

pomiary widma promieniowania wychodzącego z atmosfery.

Jeśli przez S oznaczymy sygnał rejestrowany przez detektor na satelicie, T opisuje obiekt w

atmosferze to zachodzi związek S=F(T), gdzie F jest funkcją

określoną przez procesy

radiacyjne w atmosferze oraz na powierzchni ziemi.

W metodach teledetekcyjnych poszukujemy funkcji F^-1 która opisuje nam własności obiektu czy też samej atmosfery T=F^-1(S). Zagadnienie to nosi nazwę problemu odwrotnego i większości przypadków funkcji F^-1 nie

Aktywna i pasywna teledetekcja

Rodzaje satelitów meteorologicznych

Geostacjonarne Polarne

Meteorologiczne satelity geostacjonarne (METEOSAT,

GOES,INSAT) znajdują się nad równikiem dlatego najlepiej widoczne są przez nie obszary ziemi do 45 równoleżnika.

Ich ogromną zaletą jest to że nieprzerwanie umożliwiają obserwacje atmosfery nad zadanym punktem. Wada tego typu rozwiązania jest to że potrzeba ich wiele aby pokryć całą powierzchnie ziemi.

Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej

powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity

geostacjonarnego.

Typy skanów wykonywanych przez detektory umieszczonych na satelitach polarnych

MODIS na AQUA

CERES na TERRA

MISR

Chmury METEOSAT 7

VIS

IR

Na zdjęciu IR chmury jaśniejsze odpowiadają

niższej temperaturze a więc wyższej wysokości

Temperatura powierzchni (SST)

Mierzona na podstawie pomiarów promieniowania podczerwonego Ziemi (w oknie atmosferycznym) – teledetekcja pasywna ale

również w obszarze mikrofalowym

SR (Scanning Radiometer) , NOAA od 1970

AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer), od 1978 NOAA-6 zaś od 1988 NOAA-11.

4

eff SST

T

I  

• Pomiary możliwe jedynie przy braku chmur

• Pomiary SST oceanu są uzupełniane przez dane ze statków, platform oraz boi i dryfterów.

Pomiary poziomu oceanu

Topex Poseidon

Kolor Oceanu- albedo powierzchni oceanu

Koncentracja chlorofilu, Albedo planetarne Ziemi 30 %

Albedo samej powierzchni ziemi 7 % Pozostały wkład pochodzi od

atmosfery (chmury, aerozolowe)

Co można mierzyć za pomocą radarów?

Prędkość i kierunek wiatru (dokładność 2 m/s oraz 20 stopni, rozdzielczość 25km).

Odbiciowość (wielkość

związana silną zależnością z promieniem kropelek wody czy kryształków lodu).

Możliwość oszacowania wielkości opadu.

Temperatura powietrza oraz powierzchni Ziemi.

Zanieczyszczenia atmosfery

TOMS Aerosol INDEX















 



 



 



 



Ray

meas I

I I

AI I

360 331 360

331 log

log 100

Grubość optyczna aerozolu

Skanowanie metodą LIMB

Pomiarów gazów śladowych:

CO, NO, N2O, ClO.

Możliwe pomiary profili pionowych !

Nowe projekty badawcze

Satellite Train

(PARSOL,AQUA,CALIPSO,CLOUDSAT) 2004